說起光合作用，相信大家都不陌生。我們從中學的課本中就瞭解到，這是一種植物或其他生物將陽光轉化為化學能量的反應過程。或許你會認為我們應該已經對光合作用瞭如指掌，但事實卻並非如此。對科學家來說，即使是最為基本的概念，也仍有可能挖掘出新的發現，光合作用也不例外。
5月21，《自然-化學》雜誌刊登了一項新的研究。科學家發現參與光合作用的分子能像非生命物質那樣，表現出相同的量子效應。儘管在此之前，就有研究指出，量子相干性在光合作用的能量傳輸過程中扮演著重要作用。但這次是科學家第一次在涉及到光合作用的生命系統中證實了量子效應的存在。該研究不僅能幫助我們更好地理解植物、陽光以及與其相關的許多事物，還可能為我們帶來酷炫的新技術。
量子難題
一直以來，與生物系統中量子效應相關的研究就一直存在爭議。對大多數人來說，量子力學要比光合作用要陌生得多。尤其是，它真的太奇怪了。費曼曾說：“我可以肯定地說，沒有人真正理解量子力學。”為了解釋這一奇異的理論，我們常常會用到一個現在大家耳熟能詳的故事——薛定諤的貓。
簡單說來，薛定諤的貓講述的是這樣一個故事：貓被鎖在一個含有有毒物質的盒子裡。如果有毒物質的瓶蓋是由一個量子系統控制，那麼它可能同時處於打開或閉合的狀態，就意味著貓也就處於“生”和“死”的混合態。直到我們打開盒子對其進行觀察，這種奇怪的特性就會坍縮，現實會“選擇”其中一種狀態，於是貓要麼活著、要麼死亡。這描述的恰恰就是電子的行為。電子可以同時處於兩種狀態，直到對它們進行測量。
量子效應通常發生於非常小的粒子，而且還得是在相對完美的實驗室條件下，我們才能真正觀測到這種效應。因此，要從一個有生命的、潮溼的且混亂的系統中發現量子的奇異現象是件很困難的事。
分子也瘋狂
Fenna-Matthews-Olson（FMO）是一種由7個光敏分子組成的複合物，它是綠硫細菌在進行光合作用過程中發揮重要作用的組成部分。科學家對FMO進行了放大觀察，這是一項科學家期待已久的研究，因為我們很早就知道它的結構，並且它很易於操作。
在早期的研究中科學家就已經發現，有信號表明這種光敏分子或許能同時被激發成兩種狀態。這本身就證明了量子力學效應的存在。然而在這些實驗中，這種效應持續的時間超過了1皮秒（0.000 000 000 001秒），比基於量子力學理論作出的預期時間要長得多。而新的研究指出，之前研究中所報道的量子效應其實只是分子中的常規振動，它與量子並沒有什麼關係。
但是多年以來，研究人員一直對量子生物學的可能性而感到興奮。因此，在反證了早期實驗之後，他們繼續探索，試圖搞清楚我們是否真的可以在生物系統中，觀察到“薛定諤的貓”那樣的現象。
分子的疊加態
結果是，他們做到了！通過運用一種被稱為二維電子光譜的技術，研究人員用不同偏振的光對綠硫細菌進行了測量。一個光子會激發這些分子中的兩個，但能量是疊加在這二者之上的。這就像同時活著又死亡的薛定諤的貓一樣——其中一個或另一個分子會被光子所激發。更重要的是，這種效應持續的時間與理論預測的結果完全一致。
理論物理學家Thomas la Cour Jansen是論文的作者之一，他認為測量結果證明，生物系統表現出了與非生物系統相同的量子效應：“在疊加狀態情況下，光譜應該顯示特定的振盪信號，而這的確就是我們所看到的。不僅如此，我們還發現量子效應的持續時間與理論預測正好相符，這證明了這些量子效應屬於同時疊加在兩個分子上的能量。”
研究人員認為，此次研究中所發展出來的觀察技術適用於各種系統——無論是生物系統還是非生物系統。這意味著它或許能帶來工程效益，例如有助於發展出更好的太陽能電池板、能量儲存、甚至是量子計算機。當然，也是時候在課本上為光合作用添加新的知識點了。
[1] https://www.nature.com/articles/s41557-018-0060-5
[2] http://blogs.discovermagazine.com/d-brief/2018/05/21/quantum-effects-photosynthesis/#.WwUlNC-Q3BK
[3] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-05/uog-qeo051818.php
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